Heliul superfluid se comportă ca găurile negre

NEW ORLEANS — Găurile negre și superfluidele fac prieteni ciudați: unul este renumit pentru că este atât de dens încât lumina nu poate scăpa, iar celălalt este un lichid bizar care curge fără frecare. Dar noile simulări pe computer confirmă că heliul superfluid urmează o regulă neobișnuită cunoscută din găurile negre – una cu o semnificație misterioasă pentru fizică.

Oamenii de știință au demonstrat că entropia, o măsură a informațiilor conținute într-un sistem, se comportă într-un mod contraintuitiv în heliul superfluid. Entropia crește în aceeași viteză cu suprafața heliului superfluid, în loc de volumul său – imitând modul în care entropia unei găuri negre crește pe măsură ce înghite materie și se extinde. Este pentru prima dată când fenomenul, cunoscut sub numele de „legea zonei”, a fost demonstrat în simulări ale unei stări naturale a materiei. Fizicienii au raportat rezultatul pe 14 martie la o reuniune a Societății Americane de Fizică și pe 13 martie în Fizica naturii.

„Dacă dublezi dimensiunea unei cutii, te aștepți să poți dubla cantitatea de informații din acea cutie”, spune fizicianul Christopher Herdman de la Universitatea Waterloo din Canada. Dar nu este cazul găurilor negre. Progresul către o teorie care unifică mecanica cuantică și relativitatea generală, o problemă încă spinoasă, a convins mulți fizicieni că găurile negre urmează în schimb legea zonei.

Pentru a demonstra legea într-un superfluid, Herdman și colegii au creat o simulare computerizată a heliului. Izotopul pe care l-au studiat, heliul-4, este același lucru care ține baloanele de ziua de naștere în sus și devine un superfluid la temperaturi sub aproximativ 2 kelvin (-271 ° Celsius).

În simulare, cercetătorii au urmărit încâlcirea atomilor de heliu – legături cuantice care împletesc particulele. În cadrul superfluidului, oamenii de știință au selectat o sferă imaginară a materialului și au studiat încurcarea dintre atomii din interiorul sferei și cei din afara acesteia. Această încurcătură dă naștere unui tip de entropie în superfluid. Pe măsură ce cercetătorii au crescut dimensiunea acelei sfere, a crescut și entropia încurcăturii. Rata de creștere s-a egalat cu cea a creșterii suprafeței sferei, care crește mai lent decât volumul său.

Sfera de superfluid este analogă cu orizontul de evenimente al unei găuri negre, regiunea fără întoarcere care înconjoară gaura neagră, dincolo de care lumina nu poate scăpa. În găurile negre, particulele de pe o parte a orizontului de evenimente pot fi încurcate cu cele de pe cealaltă parte, creând entropie de încurcătură într-un mod similar.

„Cred că este un rezultat fascinant”, spune fizicianul Joe Serene de la Universitatea Georgetown din Washington, DC. Dar, pentru a avansa de la simulări la o măsurare a entropiei de încrucișare în heliu din viața reală, ar fi probabil dificil. „Rămâne să fie clar cât de mult pot obține de fapt din sistemele experimentale reale”, spune Serene.

Această lege are o importanță extraordinară în fizică. Realizarea faptului că entropia unei găuri negre este proporțională cu aria sa suprafeței a condus la principiul holografic, ideea că informația dintr-o regiune a spațiului ar putea fi reprodusă complet pe suprafața sa (SN Online: 9/8/14). Oamenii de știință speră că acest concept ar putea duce la o teorie completă a gravitației cuantice, unind fizica celor foarte mici cu gravitația la scară mare.

În plus, unii oameni de știință cred acum că însăși structura spațiu-timpului ar putea fi rezultatul încurcăturii cuantice (SN: 31.5.14, str. 16), idee care a apărut și din legea zonei.

„Entanglement entropy este un concept care are succes în multe domenii diferite ale fizicii”, spune fizicianul Markus Greiner de la Universitatea Harvard. „Marea problemă este că nimeni nu știe cum să măsoare asta în… sistemele din lumea reală.”


Nota editorului: Această poveste a fost actualizată la 22 martie 2017, pentru a clarifica definiția legii zonei.